Atirantados Bolivia 2012 1

PUENTES ATIRANTADOS

Roberto Gómez Martínez

Cochabamba, Bolivia, Marzo, 2012

DEFINICIONES

PUENTE ATIRANTADO

Es aquel cuya superestructura es soportada mediante tirantes o cables inclinados sujetos a uno o varios mástiles o torres.

MÁSTIL

También conocido como torre, este elemento del puente es empleado para soportar los tirantes y la superestructura.

TIRANTES

Son elementos flexibles e inclinados que soportan la superestructura. Se fijan en diferentes puntos a lo largo de la misma y de la altura de los mástiles. Su componente principal son torones o cables de acero de alta resistencia en diferentes configuraciones.

ANTECEDENTES

El comienzo en la construcción de puentes atirantados tuvo su origen en las zonas

tropicales, en donde las lianas eran la base para la sustentación de lo que más tarde se convertiría en la superestructura. Al pasar el tiempo, el desarrollo tecnológico permitió el

perfeccionamiento de los componentes de los puentes atirantados, surgiendo de esta

manera, un nuevo concepto en el diseño y construcción de puentes especiales.

Puente primitivo sobre el río Serajoe en Java, con tirantes de

bambú entrelazados con lianas fijadas en los extremos con

árboles a cada lado Viaducto Millau, Francia

DE

SA

RRO

LL

O

TE

CN

OLO

GÍ

A

ANTECEDENTES

Puentes de cables En este tipo de puente, las cargas del tablero se transmiten a los apoyos (pilas) a través de un sistema de tensión (cables). Existen dos familias de puentes de cables, las cuales son:

a) Puentes atirantados

Desde 1950, el puente atirantado, también llamado trabe atirantada, se usa cada vez más en puentes de claros medios y largos, debido a su economía, rigidez, cualidades estéticas y facilidad de montaje. Están compuestos por un tablero, un sistema de tirantes que sujetan el tablero en diferentes puntos y suben la carga a un pórtico o pilón, mismo que está localizado en la prolongación de una de las pilas del puente.

ANTECEDENTES

Puentes de cables b) Puentes colgantes o suspendidos

Sobre algunos apoyos del puente existen pórticos por los que se pasa un cable principal de gran capacidad de carga, el cual al deformarse por su peso propio toma la forma de una catenaria. De este cable principal, se fijan otros cables verticales llamados péndolas (suspensores), los cuales toman la carga del tablero del puente.

PUENTES ATIRANTADOS EN MÉXICO

Puente Ing. Antonio Dovalí Jaime (Coatzacoalcos II)

Longitud total Superestructura Atirantamiento

1170 m Sección cajón Medio abanico


Puente Tampico


1543 m Sección cajón Medio abanico


Puente Mezcala


939 m Compuesta Medio abanico


Puente Quetzalapa


424 m Trabes presforzadas Medio abanico


Puente Barranca el Cañón


260.80 m Compuesta Medio abanico

asimétrico


Puente Barranca el Zapote


267.66 m Compuesta Medio abanico

asimétrico


Puente El Baluarte


1124 m Compuesta Medio abanico simétrico

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

Diseño conceptual:

El tablero y los tirantes se comportan como una armadura triangular. La cuerda inferior (tablero) está en compresión, los miembros en tensión son los tirantes y el tercer elemento es el pilón.

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL (TABLERO)

Tablero

• Ligereza • Estabilidad aerodinámica • Facilidad de anclaje de los tirantes


Pesos aproximados :

Superestructura de concreto: entre 1000 y 1500 kg/m2

Superestructura metálica: entre 250 y 350 kg/m2

Superestructura mixta: entre 650 y 850 kg/m2

Tipos de tableros

Concreto reforzado

Concreto presforzado

Acero

Mixto

Armaduras rigidizadas


Rígido (cajón, suspensión axial) Flexible (suspensión lateral)

Irígido = 20 a 30 veces Iflexible

SUPERESTRUCTURA DE ACERO ECONOMÍA Uso eficiente del material Resistencia/peso Soldadura Conexiones atornilladas REDUCCIÓN DEL PESO PROPIO Puentes convencionales Tableros compuestos Tableros ortotrópicos Puentes atirantados



SISTEMAS DE TABLEROS

Sistema de vigas soportado por armaduras rígidas

Vigas principales de alma llena

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL (Tablero)

SISTEMAS DE TABLEROS ORTOTRÓPICOS (placa de piso)

Ortogonalidad + Anisotropía = Ortotropía

(a) (b)

Tipo de atiesadores: (a) tipo abierto; (b) tipo cajón

Anisotropía estructural+ortogonalidad= ortotropía 20

PUENTE TAMPICO

TABLERO ORTOTRÓPICO

21

SUPERESTRUCTURA DE CONCRETO

Mayor peso Sección tipo cajón/mayor rigidez torsional Un solo plano de tirantes


COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL (PILONES)

PILONES

Generalmente se construyen de concreto reforzado Deben proporcionar una apariencia agradable Debido a las grandes fuerzas de compresión que actúan en ellos, se debe verificar su estabilidad elástica. Transversalmente, están sujetos a las fuerzas del viento y sismo; longitudinalmente tiene que soportar los momentos de flexión producidos por las cargas vivas Para fines de prediseño, la altura de los pilones (mástiles) se puede asumir de 1/5 de la longitud del claro principal del puente

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL (PILONES)

Diferente forma y rigidez: Voladizo, Tipo portal, Tipo marco, En forma de A, de “Y”

invertida, de diamante y en forma deltoidal o diamante modificada.

(a) (b)

Formas de pilones usadas para: (a) suspensión a lo largo de los bordes del tablero,

(b) formas de pilones para suspensión central

CONEXIÓN CABLE-PILÓN

El anclaje debe ser accesible y debe permitir el reemplazo de los cables

Los detalles estructurales deben permitir una colocación simple y económica de los tirantes

Las componentes horizontales de las fuerzas en

los tirantes deben estar balanceadas, no

permitiendo la torsión en los pilones

CONEXIÓN CABLE-PILÓN

SISTEMA DE ANCLAJES

(a) Anclajes traslapados (b) Anclajes internos (c) Anclajes por medio

de sillas

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL-DISPOSICIÓN DE LOS TIRANTES

Sentido longitudinal

(1) Configuración radial o convergente

• Tecnología de puentes suspendidos

• Todos los cables pasan por la misma “silleta” (especial) en la parte superior del pilón.

• Genera las menores cargas axiales y momento flexionante al pilón.

(1) (3) (2) (4)


Sentido longitudinal:

(2) Configuración tipo arpa

• Desde el punto de vista estético, es la más apropiada.

• Mayor trabajo en flexión del pilón

• Desde el punto de vista constructivo, es más simple, ya que todas las inclinaciones de los tirantes son constantes.

• Más seguridad y facilidad para sustituirlos

(1) (2) (3) (4)



(3) Configuración tipo radial modificada (abanico)

• Mayor uniformidad en la distribución de fuerzas en el tablero

• Mejor secuencia de construcción

• Reducción de fuerzas en los anclaje

• Mejora amortiguamiento

(1) (3) (3) (4)



(4) Configuración tipo estrella

• No se utiliza muy frecuentemente

(1) (3) (3) (4)

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL- DISPOSICIÓN DE LOS TIRANTES

Sentido transversal al eje del puente: (a) Un plano vertical • Clásico • No hay interferencia visual • Se recurre a secciones cajón para mitigar los efectos de la torsión (b) Dos planos verticales • Mejor rigidez entre el tablero y el pilón • Mejor comportamiento ante viento, ya que se tiene una mayor rigidez torsional del tablero


Sentido transversal al eje del puente: (c ) Dos planos verticales oblicuos (d) Cuatro planos inclinados (e) Combinación de planos verticales y oblicuos


Sentido longitudinal y transversal al eje del puente:

La elección del arreglo de los tirantes dependerá de

longitud del claro ancho del camino altura de los mástiles aspectos aerodinámicos aspectos económicos costo de tirantes y anclajes consideraciones estéticas

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL (TIRANTES )

CARACTERÍSTICAS DE LOS TIRANTES

Los requerimientos más importantes para la selección de los tirantes son:

Alta capacidad de soporte Módulo de Young alto Sección transversal compacta Alta resistencia a la fatiga Facilidad de protección a la corrosión Fácil manejo e instalación Bajo costo


TIPOS DE TIRANTES

Se dispone de varios tipos de cables para usarse como tirantes en puentes atirantados. La forma y configuración del cable depende de su manufactura.

Definiciones:

Un cable es un miembro flexible, el cual está formado por uno o más grupos de alambres, torones o cordones.

El alambre es una hilo estirado en frío en una longitud continua.

El torón es un arreglo de alambres colocados helicoidalmente alrededor de un alambre central con el fin de formar una sección simétrica.

El cordón se forma a base de torones enrollados alrededor de un núcleo compuesto por un torón o de otro cordón.


TIPOS DE TORONES SEGÚN SU ARREGLO

a) TORONES PARALELOS

b) TORONES HELICOIDALES

c) TORONES HELICOIDALES CERRADOS


CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN TIRANTE

• Elementos flexibles • Variación de la fuerza de tensión • Variación del sag


Comportamiento No lineal

Debido a la catenaria, la rigidez de un tirante depende de su tensión y de su longitud.

El módulo de elasticidad equivalente de un tirante se calcula con:

E = módulo de Young del acero del tirante recto

A = área de la sección transversal del acero del tirante

= peso del tirante, por metro lineal

l = proyección horizontal de la longitud del tirante

T = fuerza de tensión en el tirante

COMPORTAMIENTO NO LINEAL (TIRANTES )

312T

EA221

EeqE

ω

Dado que las tensiones imaginarias dependerán del módulo de elasticidad que se use para el análisis y a

su vez la magnitud de los módulos depende de las tensiones se tiene que establecer una condición de equilibrio, la que para el instante i se escribe como:

10

)1(ˆiS

E

iE

iSiT

COMPORTAMIENTO NO LINEAL (TIRANTES )

Puentes atirantados

No linealidad geométrica de los tirantes

Combinación de momento y carga axial en el

tablero y en los pilones

Comportamiento no lineal de los materiales

Respuesta no lineal debido a:

EFECTOS DEL VIENTO EN PUENTES ATIRANTADOS

VIENTO (aire en movimiento, fluido en movimiento)

Gradientes de temperatura

Fuerzas de Coriolis

Ráfagas

Huracanes

Ciclones

Tifones

Perfil de velocidad de viento en la capa limite atmosférica

Vg

V

δ

Gradiente de viento

Vg = V const.

Capa limite de viento

V = V (z)

Z

0z

zln V

k

1zV

α

0

1z

z VzV



VDVDeR

NÚMERO DE REYNOLDS

donde: = densidad del aire

V = velocidad del viento

D = diámetro o dimensión característica

µ = viscosidad

ν = viscosidad cinemática


ANTECEDENTES

Todos los tipos de puentes son susceptibles a problemas inducidos por el viento. Típicamente, los problemas inducidos por el viento son más comunes para puentes suspendidos, puentes atirantados y puentes de sección cajón de claros grandes. Durante la construcción, los puentes o componentes del puente, tienen más flexibilidad y tienen más grados de libertad que los considerados en el diseño para el puente terminado. Consecuentemente, los problemas inducidos por el viento pueden ocurrir para velocidades de viento que son verdaderamente probables de ocurrir en la zona donde se ubica el puente.


ANTECEDENTES

Nombre del puente Diseñador Año Longitud

( m )

Daños provocados por el viento

Union Bridge Sir Samuel Brown 1820 137 m Se destruyó seis meses de a ser terminado

Brighton Chain Pier Sir Samuel Brown 1823 4 tramos de 77 Dañado tres veces y destruido en 1836

Menai Straits Sir Thomas Telford 1826 177 Dañado 6 meses después de su apertura y

también en 1836 (doble amplitud de 5 m)

desde que se rigidizó la losa no se ha

presentado problema

Montrose Bridge Sir Samuel Brown 1829 131 Gravemente dañado en 1838

Nassau Bridge Lossen and Wolf 1830 75 Destruido en 1834

Roche-Bernard Bridge Marc Seguin 1840 198 Daño severo en la tormenta de 1852

St. Christophe Bridge Unknown 1847 184 Destruido por la tormenta de 1894

Wheeling Bridge Charles Ellett 1848 308 Destruido en 1854 y reconstruido

Niagara-

LewistonBridge

Edward Serrell 1850 317 Dañada en 1855, destruido en 1864

Niagara-Clifton Bridge Samuel Keefer 1869 386 Destruido en 1889

Tay Bridge Sir Thomas Bouch 1879 84 tramos de 69-

75

Destruido en 1879

Tacoma Narrows Leon Moisseiff 1940 853 Destruido 4 meses después de la finalización

Chester Bridge Sverdrup and Parcell and

Assoc.

1942 2 tramos de 204 Parcialmente destruido por el viento en julio

de 1944 y reabrió en agosto de 1946

Tabla 1.3 puentes dañados por los efectos del viento


DESEMPEÑO

Masa Geometría

Rigidez Frecuencias de vibración

Amortiguamiento


CONFORT DE LOS USUARIOS

Bajos niveles de vibración Bajos efectos de las fuerzas producidas por el viento

Turbulencia inducida en los vehículos


EFECTOS ESTÁTICOS :

Presión que el viento ejerce sobre una estructura; varía en proporción directa al

cuadrado de la velocidad media

EFECTOS DINÁMICOS :

Fuerzas generadas por la separación del flujo y las características de la

turbulencia del viento a medida que pasa alrededor de una estructura


INTERACCIÓN VIENTO-SUPERFICIE DE LA TIERRA

Flujo suave y estable ??

Flujo turbulento y con ráfagas

Fluctuaciones de velocidad en la dirección vertical y horizontal

Naturaleza aleatoria


EFECTOS ESTÁTICOS Y DINÁMICOS GENERADOS POR EL VIENTO

Efectos estáticos


EFECTOS ESTÁTICOS Y DINÁMICOS GENERADOS POR EL VIENTO

Efectos dinámicos. Los efectos dinámicos aparecen como resultado de un flujo provocado

por la turbulencia de un viento ordinario, por la separación de vórtices, y por los cambios

en el flujo principal actuando en el objeto.

Los fenómenos generados de la interacción del viento con la superestructura se denominan fenómenos aeroelásticos.


EFECTOS ESTÁTICOS Y DINÁMICOS GENRADOS POR EL VIENTO EN PUENTES

Método simplificado.- área expuesta, velocidad de diseño de 160 km/h

Método estático.- área expuesta, Vd (Ft , Fα , Vr), Cp

Método dinámico.- factor de ráfaga

Métodos experimentales.- túnel de viento


FUERZAS AERODINÁMICAS

Las fuerzas aerodinámicas que actúan en un puente, dependen de la velocidad y dirección

del viento, así como del tamaño y forma del puente. La ocurrencia de resonancia entre estas

fuerzas y el movimiento del puente depende de los mismos factores.

COMPONENTES DE FUERZA Y MOMENTO

El flujo del viento perpendicular al puente lo separa de su dirección original y su desviación trae como consecuencia el cambio en la velocidad del aire. La presión ejercida por el viento

sobre el puente se altera a partir de que éste fluye lentamente. Como resultado de este proceso, el puente experimenta una fuerza resultante aerodinámica, la cual se divide en tres

componentes:

El levantamiento, el arrastre y el momento de volteo.


FUERZAS AERODINÁMICAS

Levantamiento

Arrastre

Momento de volteo


ACvL L

2

2

1

La fuerza de levantamiento se obtiene con la siguiente expresión:

donde:

1/2 v2 = presión dinámica = densidad del aire

CL = coeficiente adimensional de levantamiento que varía con el ángulo A = área expuesta del puente v = velocidad del viento


La fuerza de arrastre se obtiene con la siguiente expresión:

donde:


CD = coeficiente adimensional de arrastre que varía con el ángulo A = área expuesta del puente v = velocidad del viento

DCVD 2

2

1


El momento de torsión se obtiene con la siguiente expresión:

donde:


CT = coeficiente adimensional de torsión que varía con el ángulo A = área expuesta del puente

B = Longitud característica del puente v = velocidad del viento

BACvT T

2

2

1


FENÓMENOS AEROELÁSTICOS

ANTECEDENTES

Las fuerzas que hay que tener en cuenta para plantear correctamente el problema del comportamiento de un cuerpo elástico inmerso en una corriente

fluida son las siguientes:

Fuerzas elásticas (Dependen de la deformación del cuerpo)

Fuerzas aerodinámicas (Producidas por la acción del fluido sobre el cuerpo)

Fuerzas de inercia (Debido a la aceleración de la estructura)

Los fenómenos aeroelásticos son consecuencia del juego entre las tres fuerzas anteriores que, dependiendo de la importancia relativa de una sobre otras, dan

lugar a diversos tipos de inestabilidades o fenómenos aeroelásticos.


Aerodinámicas

INESTABILIDADES Aeroelásticas


FENÓMENOS AEROELÁSTICOS EN PUENTES

Desprendimiento de torbellinos

El desprendimiento de torbellinos es una inestabilidad aerodinámica que se presenta debido

a la separación de la capa límite.


Galope transversal

El galope es una inestabilidad típica de estructuras esbeltas que se puede presentar en

aquellas que tienen secciones transversales no circulares.


Divergencia torsional

La divergencia torsional es una inestabilidad aerodinámica que puede aparecer en

estructuras planas sometidas a vientos fuertes, como es el caso de tableros de puentes

atirantados y colgantes.


Divergencia torsional

MCTmC

LBVM 22

2

1

mCLBV 22

2

110ICT

mc

C CLB

U2

2


Aleteo

El aleteo es una inestabilidad aerodinámica en la que intervienen dos grados de libertad:

vibraciones laterales (en sentido perpendicular a la corriente incidente) y vibraciones a

torsión.


Aleteo

allongitudinejedelalrededorgirotpxtx

verticaltraslacióntpxhtxh

)()(),(

)()(),(

TI

LhhhM

hhh

hhh

2

2

.2

..

.2

..


Aleteo

V

hAKAK

V

BAK

V

hAKBVT

V

hHKHK

V

BHK

V

hHKBVL

*

4

2*

3

2*

2

*

1

22

*

4

2*

3

2*

2

*

1

2

..

2

1

..

2

1

V

hAKAK

V

BAK

V

hAKBVI

V

hHKHK

V

BHK

V

hHKBVhhhM

hhh

hhh

*

4

2*

3

2*

2

*

1

222

*

4

2*

3

2*

2

*

1

22

..

2

1.2

..

..

2

1.2

..


VientoLevantamiento

Levantamiento

V

t

Torsión

Flexión

V,

f/2

Aleteo


El aleteo es una de las inestabilidades aerodinámicas más estudiada en

el campo de la ingeniería de viento. Es conocido que, antes del

desafortunado incidente del puente Tacoma Narrows, muchos puentes suspendidos fueron destruidos por el viento.

(a) (b)

Puente Tacoma Narrows: (a) inicio de la oscilación, (b) colapso de la superestructura


Desprendimiento de vórtices

D

VSf ts

VDVDeR

Estela de torbellinos de Von Karman

Viento

Viento

Estela de torbellinos de Von Karman


Vibraciones de tirantes/cables inducidas por la lluvia

La lluvia o el agua que se acumula temporalmente sobre los tirantes origina un cambio en

sus propiedades aerodinámicas


Estudios en túnel de viento

Un túnel de viento es una herramienta que sirve para simular los

efectos del viento.

Los túneles de viento pueden ser:

de circuito cerrado

de circuito abierto

¿PARA QUÉ SIRVE UN TÚNEL DE VIENTO?

Efectos del viento sobre estructuras

Transporte de masas

Efectos locales del viento


TÚNEL DE VIENTO DE CIRCUITO CERRADO

Reducción

Sección de

pruebas

Difusor

Cámara de

tranquilación

Alabes

DifusorVentilador

Túnel de viento de retorno simple, planta

TÚNEL DE VIENTO DE CIRCUITO ABIERTO

Ventilador

Sección de

pruebas

Túnel de viento de circuito abierto, elevación

¿CUÁNDO HACER UNA PRUEBA DE TÚNEL DE VIENTO?

Costo

Posibilidad de ocurrencia de problemas por viento

Estructuras complejas

Importancia de las estructuras

Criterios de comportamiento

Criterios de salud o medio ambiente


Geométricos

Cinemáticos

Dinámicos


Requisitos de similitud para pruebas en túnel de viento

pmp

m

p

ma

p

mI

p

mm

p

m

p

mL

Bg

V

Bg

V

a

a

I

I

m

m

L

L

;;

;;;

Numero de Froude (relación de la fuerza de inercia del fluido a

la fuerza vertical debida a la gravedad)

Número de Cauchy (relación de la fuerza elástica a la fuerza de

inercia del fluido)

Número de Reynolds (relación de la fuerza de inercia del fluido

a la fuerza viscosa del fluido)

Parámetro de densidad (relación de la fuerza de inercia de la

estructura a la fuerza de inercia del fluido)

Relación de amortiguamientos ( relación del amortiguamiento

al valor del amortiguamiento crítico)


Requisitos de similitud para pruebas en túnel de viento

Modelos de sección

Modelos a escala completa

Flujo suave

Flujo turbulento


Modelos aeroelásticos para estudios de estructuras de puentes en túnel de viento

Ventajas:

Bajo costo

De mayor escala

Las características de masa y rigidez se pueden cambiar fácilmente

Desventajas:

No se reproduce la topografía circundante

No siempre reproducen exactamente las características de masa y rigidez


Modelos de sección

a) Fijo a un brazo auto-balanceado b) Fijo a transductores rígidos de fuerza

c) Modelo sobre actuadores d) Modelo sobre resortes

e) Modelo girado sobre resortes f) Modelo de rigidez constante


1. Modelo de sección 2. Extensión horizontal, barra 3. Brazo

4. Resortes 5. Alambre de arrastre, sotavento 6. Alambre de arrastre, barlovento

7. Transductores de carga 8. Pieza central 9. Masa falsa

LC. 6

LC. 5

LC. 1

LC. 2

LC. 4

LC. 3

63 2

7 5

1

4

98

x

y

z


Modelo de sección del puente atirantado Mezcala


Modelo de sección de un puente colgante


Coeficientes de arrastre, levantamiento y torsional

CD

0 . 4

0 . 2

4 8- 4- 8

- 0 . 4

CL

0 . 4

0 . 2

4 8- 4- 8

- 0 . 4

CM

0 . 4

0 . 2

4 8- 4- 8

- 0 . 4

- 0 . 2

Modelación en túnel de viento (UWO)


El estudio de los fenómenos aeroelásticos ha permitido proponer modelos teóricos

elementales para su análisis. El estado del arte actual para el estudio de los fenómenos aeroelásticos en puentes, permite, de manera confiable, prevenir problemas ocasionados

por el viento sobre puentes durante la fase de diseño. Lo anterior no quiere decir, sin

embargo, que no hay más que hacer en esta área.

Modelo aeroelástico de un puente atirantado

MODELO PARA LA RESPUESTA AERODINÁMICA DE UN PUENTE COLGANTE

Modelo aeroelástico de un puente colgante

Nuevo túnel de viento del IIUNAM

Puente El Baluarte

VISTA EN PLANTA


Puente El Baluarte

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Lon

gitu

d t

ota

l (m

)

Longitud total escalada de la sección de pruebas

Longitud escalada al centro de la mesa giratoria posterior

17.65 m 20 m

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

70

Nuevo túnel de viento, UNAM } UC Berkeley BLWT 13

TNO-MEP Apeldoorn 12

RWDI # 1 11

Force (DMI) BLWT 10

KaTRI LBWT 9

KaTRI MPWT 8

Colorado State IWT 7

Colorado State MWT 6

TU München 5

Clemson University BLWT 4

UC Davis ABLWT 3

COPPE/UFRJ 2

UWO BLWT # 2 1


Puente El Baluarte

! GRACIAS POR SU ATENCIÓN !

Dr. Roberto Gómez Martínez Mecánica Aplicada Instituto de Ingeniería, UNAM [email protected] [email protected] 97

mailto:[email protected]

PUENTE “EL BALUARTE”

Atirantados Bolivia 2012 1

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